微梳中的多色带间孤子

变色却同步的光脉冲

每次你浏览网页、观看流媒体或使用 GPS 时，都依赖于在光纤中传输的光脉冲。工程师希望这些脉冲能承载更多信息并到达新的频段，尤其是对成像与光谱学有用的太赫兹频段。本文报道了一种使芯片上的微小器件产生成对超快光脉冲的方法——它们具有不同的“颜色”（频率）但保持完美同步——这是未来通信与传感技术的有前景的构件。

微小光陷阱中的自组织脉冲

在光学微谐振腔——一个捕获光的显微环——内，激光可以形成一种特殊的自组织脉冲，称为孤子。该脉冲不会扩散，而是在环内循环时保持形状，这得益于损耗、增益与材料对不同颜色光的色散之间的平衡。这类孤子构成了“微梳”的基础，即缩小到芯片上的光学频率梳。通常，一个激光泵浦会产生单一族孤子脉冲。早期理论表明，在非常特定的条件下，一个孤子可以在其他颜色产生附加的、相位关联的孤子，但这些条件在标准器件中很难实现。

让两种颜色共享同一节奏

作者设计了一个三环耦合的微谐振器，具有若干不同的共振频带。通过用连续波激光泵浦一个频带，他们首先产生了主孤子。该强烈、紧致的脉冲通过克尔效应既作为光学增益的源，又为其他频率形成一个移动的“势阱”，克尔效应是指光改变介质折射率的现象。在合适的激光—腔失谐下，这种环境使得在不同颜色上出现次级孤子成为可能，像一个新的赛跑者突然并入领跑者的节奏。尽管主、次孤子位于不同的频带，它们在时间上对齐并以相同的重复率绕器件循环，同时伴随由四波混频产生的较弱第三特征称为闲频（idler）。

证明脉冲是真实且相互关联的

为确认这两种颜色确实形成了真正的超快脉冲，团队使用自相关测量它们的时域轮廓，发现飞秒级的持续时间——主孤子约为700飞秒，次级孤子约为400飞秒。快速光电探测器仅显示出一个强烈的微波谱线，表明两列脉冲列共享完全相同的往返时间。在光学光谱中，器件输出显示出两组重叠且等间距的谱线梳，分别来自每个孤子，频率上有小幅偏移。该偏移意味着如果不加控制，两组频率梳的光学相位会相对漂移，即便它们的时序是同步的。研究者随后闭合一个反馈回路，感测两梳之间的拍频并微调泵浦激光，显著降低该拍频的相位噪声，从而有效地将两种颜色锁定为相干的扩展频率梳。

用热量调节颜色间隔

由于三环相互耦合，轻微改变它们的温度会重塑整体共振频率格局。器件在每个环上集成了微加热器，允许研究者以电控方式调节色散景观。通过调整加热器电压，他们移动了参数过程相位匹配的频率，从而控制主孤子和次孤子的中心颜色。实验显示，在保持约20 GHz重复率的同时，两孤子颜色之间的频率分离可在大约0.5到1.5太赫兹范围内调节。基于耦合场方程的数值模拟支持了测量结果，并阐明了次级孤子出现的条件，包括激光失谐的明确阈值以及交叉相位调制在稳定新脉冲中的重要作用。

从有色脉冲到太赫兹梳

通俗地说，这项工作展示了一个芯片级器件，其中单一激光脉冲列会产生第二列不同颜色但完全同步的脉冲列，并且可以在宽频率间隔内进行可调。两种颜色之间的拍频自然在光强中产生太赫兹速率的调制，这可以用现有的光电导或非线性晶体转换为太赫兹频率梳。由于太赫兹载波可调而脉冲重复率位于微波范围，此类光源可为太赫兹光谱学和双梳系统提供高分辨率和便捷的检测。更广泛地说，结果扩展了已知的光学孤子家族，并指向了在未来通信、计时与传感技术中拓展微梳光谱的新途径。

引用: Ji, QX., Hou, H., Ge, J. et al. Multicolor interband solitons in microcombs. Light Sci Appl 15, 166 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02200-0

关键词: 光学微梳, 耗散孤子, 多色脉冲, 太赫兹频率梳, 集成光子学